每日一题[563]计数的映射方法

集合$A=\{1,2,\cdots ,n\}$,则定义在$A$上的不减函数$f:A\to A$(即$\forall x,y\in A,x\leqslant y,$有$f(x)\leqslant f(y)$)的个数为_______.


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分析与解 考虑$(n+1) \times n$的网格,每一个符合题意的不减函数都与其中的路径$$(1,f(1))\to (2,f(2))\to \cdots \to (n,f(n))$$一一对应,将路径补充为$$(1,1)\to (1,f(1))\to (2,f(2))\to \cdots \to (n,f(n)) \to (n+1,n)$$且将该路径看作沿网格中的线段从$(1,1)$运动到$(n+1,n)$,每次只能往右或者往上运动.因此只需要在总共的$2n-1$次运动中确定向右运动的那$n$次的位置即可,答案为${\rm C}_{2n-1}^{n}$.

屏幕快照 2016-07-12 下午1.28.48

 本文是卡特兰数的一个应用,也可以将这个问题转化成$n$个相同的小球放入编号为$1,2,\cdots,n$的$n$个盒子的问题,编号为$k$的盒子中球的数目就是函数值$k$对应的原象个数,而函数不减,所以原象个数确定后,原象也唯一确定.比如:编号为$(1,2,\cdots,n)$的盒子中小球数目分别为$(2,1,0,0,\cdots,0,n-3)$,则有两个自变量对应的函数值为$1$,必为$1,2$;有$1$个自变量对应的函数值为$2$,必为$3$,其它自变量对应的函数值均为$n$,即$f$为$$f(1)=f(2)=1,f(3)=2,f(4)=f(5)=\cdots=f(n)=n.$$由隔板法与对应法知,不同的放法总数为$\mathrm{C}_{2n-1}^{n-1}$.

进一步学习见卡特兰数——计数的映射方法的伟大胜利(方法技巧栏目).

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